Prawa Kirchhoffa dotyczące prądu i napięcia

W 1845 r. Niemiecki fizyk Gustav Kirchhoff po pierwsze opisał dwa prawa, które stały się kluczowe dla elektrotechniki. Obecne prawo Kirchhoffa, znane również jako prawo skrzyżowania Kirchhoffa i pierwsze prawo Kirchhoffa, określają sposób, w jaki prąd elektryczny rozkłada się, gdy przechodzi przez skrzyżowanie - punkt, w którym spotykają się trzy lub więcej przewodników. Innymi słowy, prawa Kirchhoffa stwierdzają, że suma wszystkich prądów opuszczających węzeł w sieci elektrycznej jest zawsze równa zero.

Prawa te są niezwykle przydatne w prawdziwym życiu, ponieważ opisują stosunek wartości prądów przepływających przez punkt połączenia i napięć w pętli obwodu elektrycznego. Opisują, w jaki sposób przepływa prąd elektryczny we wszystkich miliardach urządzeń i urządzeń elektrycznych, a także we wszystkich domach i firmach, które są stale używane na Ziemi.

W szczególności przepisy stanowią:

Algebraiczna suma prądu w dowolnym złączu wynosi zero.

Ponieważ prąd jest przepływem elektronów przez przewodnik, nie może gromadzić się na złączu, co oznacza, że ​​prąd jest zachowany: to, co wchodzi, musi wyjść. Wyobraź sobie dobrze znany przykład skrzyżowania:

Podczas wykonywania obliczeń prąd płynący do i ze złącza zwykle ma przeciwne znaki. Możesz również określić aktualne prawo Kirchhoffa w następujący sposób:

Suma prądu na złączu jest równa sumie prądu na złączu.

Możesz dokładniej rozbić te dwa prawa.

Na zdjęciu pokazano połączenie czterech przewodów (drutów). Prądy v₂ i v₃ wpływają do skrzyżowania, podczas gdy v₁ i v₄ wypływają z niego. W tym przykładzie reguła skrzyżowania Kirchhoffa daje następujące równanie:

v₂ + v₃ = v₁ + v₄

Prawo napięcia Kirchhoffa opisuje rozkład napięcie elektryczne w obrębie pętli lub zamkniętej ścieżki przewodzącej obwodu elektrycznego. Prawo napięcia Kirchhoffa stwierdza, że:

Algebraiczna suma różnic napięcia (potencjału) w dowolnej pętli musi wynosić zero.

Różnice napięcia obejmują różnice związane z polami elektromagnetycznymi (EMF) i elementami rezystancyjnymi, takimi jak rezystory, źródła zasilania (na przykład baterie) lub urządzenia - lampy, telewizory i miksery - podłączone do obwód. Wyobraź to sobie jako napięcie rosnące i opadające podczas obchodzenia poszczególnych pętli w obwodzie.

Prawo napięcia Kirchhoffa powstaje, ponieważ pole elektrostatyczne w obwodzie elektrycznym jest konserwatywnym polem siłowym. Napięcie reprezentuje energię elektryczną w systemie, więc pomyśl o tym jako o szczególnym przypadku zachowania energii. Kiedy omijasz pętlę, po dotarciu do punktu początkowego ma ten sam potencjał, co wtedy zacząłeś, więc wszelkie wzrosty i spadki wzdłuż pętli muszą zostać anulowane dla całkowitej zmiany zero. Jeśli nie, potencjał w punkcie początkowym / końcowym miałby dwie różne wartości.

Korzystanie z reguły napięcia wymaga pewnych konwencji znaków, które niekoniecznie są tak jasne, jak te w bieżącej regule. Wybierz kierunek (w prawo lub w lewo), aby przejść wzdłuż pętli. Podczas podróży od dodatniej do ujemnej (+ do -) w polu elektromagnetycznym (źródło zasilania) napięcie spada, więc wartość jest ujemna. Przy przejściu od ujemnego do dodatniego (- do +) napięcie rośnie, więc wartość jest dodatnia.

Pamiętaj, że podróżując po obwodzie, aby zastosować Prawo Napięciowe Kirchhoffa, upewnij się, że zawsze postępujesz tak samo kierunek (w prawo lub w lewo), aby określić, czy dany element reprezentuje wzrost, czy spadek w Napięcie. Jeśli zaczniesz skakać i poruszać się w różnych kierunkach, twoje równanie będzie niepoprawne.

Podczas przekraczania rezystora zmiana napięcia jest określona wzorem:

I * R

gdzie ja jest wartością prądu i R jest rezystancją rezystora. Krzyżowanie w tym samym kierunku co prąd oznacza, że ​​napięcie spada, więc jego wartość jest ujemna. Podczas przekraczania rezystora w kierunku przeciwnym do prądu wartość napięcia jest dodatnia, więc rośnie.

Najbardziej podstawowe zastosowania praw Kirchhoffa dotyczą obwodów elektrycznych. Z fizyki gimnazjalnej możesz pamiętać, że prąd w obwodzie musi płynąć w jednym ciągłym kierunku. Jeśli na przykład wyłączysz włącznik światła, zrywasz obwód, a tym samym gaśniesz światło. Po ponownym naciśnięciu przełącznika ponownie włącza się obwód i światła znów się zapalają.

Możesz też pomyśleć o sznurkowym oświetleniu domu lub choinki. Jeśli tylko jedna żarówka się przepali, cały ciąg świateł gaśnie. Jest tak, ponieważ elektryczność zatrzymana przez rozbite światło nie ma dokąd pójść. To tak samo, jak wyłączenie przełącznika światła i przerwanie obwodu. Innym aspektem tego w odniesieniu do praw Kirchhoffa jest to, że suma całej energii elektrycznej wchodzącej i wypływającej ze skrzyżowania musi wynosić zero. Energia elektryczna wchodząca do skrzyżowania (i przepływająca wokół obwodu) musi być równa zeru, ponieważ elektryczność, która wchodzi, musi również wyjść.

Więc następnym razem pracujesz nad skrzynką przyłączeniową lub obserwujesz elektryka, który ciągnie za sobą elektryczne lampki świąteczne lub włączając lub wyłączając telewizor lub komputer, pamiętaj, że Kirchhoff najpierw opisał, jak to wszystko działa, zapoczątkowując wiek Elektryczność.